Symulacje numeryczne i modelowanie fizyczne procesów kucia wałów korbowych metodą TR

Transkrypt

1 Obróbka Plastyczna Metali t. XXII nr 3 (2011) Procesy kształtowania objętościowego Dr inŝ. Wojciech WALCZYK, mgr inŝ. Paweł KROCZAK Instytut Obróbki Plastycznej, Poznań walczyk@inop.poznan.pl Symulacje numeryczne i modelowanie fizyczne procesów kucia wałów korbowych metodą TR Numerical simulations and physical modelling of the processes of forging crankshafts by the TR method Streszczenie W artykule przedstawiono przykład symulacji numerycznych i modelowanie fizyczne dwóch wariantów technologicznych procesów kucia metodą TR dwóch typów wałów korbowych nowej generacji V46 oraz V48/60. Symulacje numeryczne przeprowadzono za pomocą programu QForm 3D v. 5.1, a modelowanie fizyczne w przyrządzie TR80M. Opisano i porównano wyniki uzyskane z symulacji numerycznej i modelowania fizycznego. Otrzymane rezultaty badań wykazują, Ŝe symulacja komputerowa w połączeniu z modelowaniem fizycznym umoŝliwia przewidywanie oporów kucia oraz określenie stopnia wypełnienia ramion wykorbienia. Jest to szczególnie przydatne w przypadku opracowywania procesów kucia trudniejszych technologicznie nowych typów wałów korbowych. Abstract The article presents numerical simulations and physical modelling of two technological variants of TR method forging of new generation two crankshaft types V46 and V48/60. The numerical simulations have been performed by means of the QForm 3D v.5.1 program and the physical modelling in the TR80M device. The results obtained in the numerical simulation and in the physical modelling have been described and compared. The obtained investigation results prove that computer simulation, combined with physical modelling, makes it possible to predict the forging resistance and the degree of the crank web filling. It is particularly valuable in the case of elaborating the processes of forging technologically more difficult new types of crankshafts. Słowa kluczowe: analiza MES, modelowanie fizyczne, nacisk prasy, kucie, wał korbowy Key words: FEM analysis, physical modelling, press force, forging, crankshaft 1. WSTĘP Metoda TR [1, 2] kucia wałów korbowych sprawdziła się dotychczas bardzo dobrze zarówno dla klasycznych kształtów wykorbień jak i w przypadku wałów korbowych nowszej konstrukcji, gdzie istotnym warunkiem uzyskania dokładnego kształtu ramienia jest prawidłowe ukształtowanie materiału wyjściowego. Zastosowanie niesymetrycznego spęczania wstępnego zapewniało prawidłowe wypełnianie naroŝy ramion wykorbienia. 1. INTRODUCTION The TR method [1, 2] of forging crankshafts has been positively proved so far, both for the classical shapes of crank throws and in the case of the new design crankshafts where an important condition to be met in order to obtain precise crank web shape is correct formation of the stock material. The application of unsymmetrical preupsetting has provided for the correct filling of the crank web.

2 210 W. Walczyk, P. Kroczak Zmiana kształtu ramion wykorbień nowo skonstruowanych wałów spowodowała, Ŝe dotychczasowe doświadczenie w zakresie projektowania technologii kucia wałów metodą TR wymaga uzupełnienia o dodatkowe informacje uzyskane z symulacji komputerowych i porównania z danymi otrzymanymi z modelowania fizycznego. Modification of the shape of the crank webs of the newly designed crankshafts has resulted in that the experience gathered so far in designing the technologies of forging crankshafts by the TR method has to be updated with new information obtained from the computer simulations and the comparison to the data obtained from the physical modelling. 2. CEL ANALIZY Celem symulacji przeprowadzonej w Zakładzie Modelowania Procesów Instytutu Obróbki Plastycznej w Poznaniu było określenie stopnia wypełnienia kształtowanych ramion wykorbienia oraz określenie nacisku prasy N p podczas kucia wałów korbowych metodą TR dla dwóch rodzajów kształtu wykorbienia i dwóch wariantów technologicznych kucia wałów korbowych metodą TR. 3. METODYKA BADAŃ W ramach badań procesu kucia wałów metodą TR przeprowadzono symulacje numeryczne MES procesu kucia w przyrządzie TR80M modelowych wykorbień wałów V46 i V48/60 w podziałce 6,9. Materiałem modelowym był ołów o własnościach podanych na rys PURPOSE OF THE ANALYSIS The objective of the simulation performed by the Department of Process Modelling of the Metal Forming Institute in Poznań was to determine the degree of filling of the formed crank webs and to determine the press capacity N p when forging crankshafts by the TR method, for two cases of crank throw shape and two technological variants. 3. INVESTIGATION METHODOLOGY FEM simulations of the process of forging model crank throws of V46 and V48/60 crankshafts in the TR80M device have been performed in the scale of 6.9. The model material was lead with the properties stated in fig NapręŜenie uplastyczniające, [MPa] ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Odkształcenie względne Rys. 1. NapręŜenie uplastyczniające ołowiu do badań modelowych w temperaturze 20 w zaleŝności od odkształcenia względnego Fig. 1. The yield stress of the lead for model investigation at the temperature of 20 as a function of deformation

3 Symulacje numeryczne i modelowanie fizyczne procesów kucia Symulacje numeryczne przeprowadzono za pomocą programu QForm 3D v. 5.1 dla dwóch wariantów technologicznych procesu kucia (tablica 1). Na rys. 2 pokazano wariant zestawu narzędzi do kucia wykorbienia modelowego wału V46. Numerical simulations have been performed with the use of the QForm 3D v.5.1 program for two technological variants of the forging process (table 1). Fig. 2 shows a variant of the tool set for forging of the model crank throw of the V46 crankshaft. Tablica 1. Warianty technologiczne procesu kucia wałów korbowych metodą TR Table 1. Technological variants of the process of forging crankshafts by the TR method 1 WP1 2 WP2 Oznakowanie wariantu Variant designation Opis wariantu Variant description Wariant 1 - Zestaw narzędzi z przedkowadłem w wersji 1 Variant 1 Tool set with the foreanvil in version 1 Wariant 2 - Zestaw narzędzi z przedkowadłem w wersji 2 Variant 2 Tool set with the foreanvil in version 2 a) b) Rys. 2. Wariant podstawowy zestawu narzędzi do kucia wału V46: 1 wyginak, 2L/2P wkładki czołowe, 3L/3P wkładki chwytowe, 4 przedkowadło, 5 kowadło; a/ wstępne niesymetryczne spęczanie (etap 1), b/ kucie wykorbienia (etap 2) Fig. 2. The basic variant of the tool set for forging the V46 crankshaft: 1 bending tool, 2L/2P face die inserts, 3L/3P clamping die inserts, 4 foreanvil, 5 anvil; a) unsymmetrical preupsetting (stage 1), b) forging of the crank throw (stage 2)

4 212 W. Walczyk, P. Kroczak Modelowanie fizyczne procesu kucia przeprowadzono dla tych samych kształtów wykorbień i wariantów technologicznych co dla symulacji numerycznych. Kształty przedkowadeł dla dwóch wariantów technologicznych przedstawiono na rys. 3. Na rys. 4 pokazano przyrząd modelowy TR80M zamontowany na prasie PYE 250S. Podczas prób kucia dla kaŝdego wykorbienia wykonywano pomiary siły nacisku prasy Np w funkcji drogi wyginaka oddzielnie dla operacji kucia przedkuwki (etap 1) i operacji kucia odkuwki (etap 2). Physical modelling has been performed for the same crank web shapes and technological variants as for the numerical simulations. Foreanvil shapes for two technological variants can be seen in fig. 3. Fig. 4 shows the model TR80M device mounted on the PYE250S press. During the forging tests, measurements of the press force, Np, as a function of the bending die travel, have been performed for each crank throw, separately for forging of the preforging (stage 1) and for forging the crank throw (stage 2). Rys. 3. Kształty przedkowadeł dla wariantów WP1 i WP2 kucia wałów korbowych V46 i V48/60 Fig. 3. Shapes of foreanvils for variants WP1 and WP2 of forging V46 and V28/60 crankshafts Rys. 4. Przyrząd modelowy TR80M na stanowisku badawczym prasy PYE 250S Fig. 4. The model TR80M device on the investigation stand the PYE 250S press

5 Symulacje numeryczne i modelowanie fizyczne procesów kucia Na rys. 5 pokazano kształt przedkuwki i odkuwki po kuciu wykorbienia wału V46 podczas modelowania fizycznego oraz symulacji numerycznej. Nacisk prasy N p podczas kucia modelowego określono na podstawie pomiarów sygnałów z korpusu prasy za pomocą przetwornika siły firmy Hottinger Baldwin Messtechnik. Drogę suwaka prasy, równą drodze wyginaka, mierzono czujnikiem przemieszczeń liniowych WA/100-T firmy Hottinger Baldwin Messtechnik. Wyniki rejestrowano za pomocą dwukanałowego wzmacniacza MP85ADP firmy Hottinger Baldwin Messtechnik i notebook a z oprogramowaniem PME Assistant v In fig. 5, one can seethe shape of the preforging and the forging after the crank throw of a V46 crankshaft has been forged during physical modelling and numerical simulation. The press force, N p, during model forging has been determined basing on the measurements of the signals from the press body effected by means of a force tranducer made by Hottinger Baldwin Messtechnik. The travel of the press ram, equal to that of the bending die, has been measured by means of a displacement tranducer sensor, WA/100-T made by Hottinger Baldwin Messtechnik. The results were recorded with the use of a two-channel amplifier MP85ADP made by Hottinger Baldwin Messtechnik and a notebook with PME Assistant v software. a) b) 1) 2) 3) Rys. 5. Kształt odkuwki wykorbienia modelowego: a) symulacja numeryczna, b) odkuwka po kuciu modelowym 1 materiał wyjściowy, 2 przedkuwka, 3 odkuwka wykorbienia Fig. 5. The shape of the model crank throw forging: a) numerical simulation, b) crank throw after model forging 1 stock material, 2 preforging, 3 crank throw forging

6 214 W. Walczyk, P. Kroczak 4. WYNIKI SYMULACJI NUMERYCZ- NYCH I MODELOWANIA FIZYCZ- NEGO KUCIA MODELOWYCH WY- KORBIEŃ WAŁÓW V46 I V48/60 Na rys. 6 przedstawiono gotowe odkuwki wykorbień modelowych wałów V46 i V48/60 dla wariantu WP1 i WP2 otrzymane w wyniku symulacji numerycznych i modelowania fizycznego. Wykresy sił nacisku prasy N p dla symulacji numerycznej w zaleŝności od drogi wyginaka potrzebnych do spęczania wstępnego i podczas kucia wykorbienia wałów przedstawiono na rysunku 7 i 8. Natomiast na rysunku 9 i 10 przedstawiono wykres siły nacisku prasy N p dla modelowania fizycznego procesu spęczania wstępnego i kucia wykorbienia wałów. Podczas operacji wstępnego spęczania otrzymujemy przedkuwkę. Nacisk prasy (rys. 7 i 9) dla kształtu wykorbienia wałów V46 i V48/60 szybko rośnie, a następnie pozostaje niemal bez zmiany do chwili styku wyginaka z materiałem przedkuwki. Wtedy następuje skokowy wzrost siły N p, spowodowany zgniataniem przez wyginak czopa na przedkowadle. Następnie nacisk prasy N p stopniowo narasta osiągając wartość maksymalną. 4. THE RESULTS OF NUMERICAL SIMULATIONS AND PHYSICAL MO- DELLING OF FORGING MODEL CRANK THROWS OF V46 AND V48/60 CRANKSHAFTS Fig. 6 shows ready made forgings of model crank throws of V46 and V48/60 crank throws for variants WP1 and WP2 obtained as a result of numerical simulations and physical modelling. The curves of the press force, N p, necessary for the preupsetting and during forging, as a function of the bending tool travel, can be seen in fig. 7 and 8 respectively. Figures 9 and 10, on the other hand, show the curve of the press force during preupsetting and during forging for physical modelling. During the operation of preupsetting, we obtain a preforging. The press force (fig. 7 and 9) increases quickly for crank throw shape of V46 and V48/60 and then is almost steady till the bending tool contacts the preforging. The N p force increases in steps due to the crankpin being crushed by the bending die on the foreanvil, after which the press force increases steadily to reach the maximum value. 1 symulacja numeryczna / 1 numerical simulation 2 modelowanie fizyczne / 2 phisical modelling Wariant WP1 V46 / Variant WP1 V46 Wariant WP1 V46 / Variant WP1 V46 Wariant WP1 V48/60 / Variant WP1 V48/60 Wariant WP1 V48/60 / Variant WP1 V48/60

7 Symulacje numeryczne i modelowanie fizyczne procesów kucia Wariant WP2 V46 / Variant WP2 V46 Wariant WP2 V46 / Variant WP2 V46 Wariant WP2 V48/60 / Variant WP2 V48/60 Wariant WP2 V48/60 / Variant WP2 V48/60 Rys. 6. Odkuwki wykorbień wałów V46 i V48/60 Fig. 6. Crank throw forgings V46 amd V48/60 Np [kn] Siła nacisku prasy przy spęczaniu wstępnym Nacisk wykorbienia prasy przy V46 przedkuwaniu i V48/60 /Press wykorbienia force V46 when i V48/60 preupsetting a crank throw of the V46 and V48/ V46-WP1 V48/60-WP1 V46-WP2 V48/60-WP2 Rys. 7. Siła nacisku prasy N p potrzebna do spęczania wstępnego dla wariantu WP1 i WP2 (symulacja numeryczna) Fig. 7. The press force, N p, necessary for preupsetting in variants WP1 and WP2 (numerical simulation) droga wyginaka [mm]

8 216 W. Walczyk, P. Kroczak Np [kn] Siła nacisku prasy przy kuciu wykorbienia Nacisk V46 prasy i V48/60 przy kuciu / Press wykorbienia force when V46 forging i V48/60a crank throw of the V46 and V48/ droga wyginaka [mm] V46-WP1 V48/60-WP1 V46-WP2 V48/60-WP2 Rys. 8. Siła nacisku prasy N p podczas kucia wykorbień wałów V46 i V48/60 dla wariantu WP1 i WP2 (symulacja numeryczna) Fig. 8. The press force, N p in forging crank throws V46 and V48/60 for variants WP1 and WP2 (numerical simulation) Np [kn] Siła nacisku prasy przy spęczaniu Siła wstępnym nacisku prasy wykorbienia przy spęczaniu V46 i V48/60 wstępnym / Press wykorbienia force when V46 preupsetting i V48/60 a crank throw of the V46 and V48/ droga wyginaka [mm] V46-WP1 V48/60-WP1 V46-WP2 V48/60-WP2 Rys. 9. Siła nacisku prasy N p potrzebna do spęczania wstępnego dla wariantu WP1 i WP2 (modelowanie fizyczne) Fig. 9. The press force, N p, necessary for the preupsetting in variants WP1 and WP2 (physical modelling)

9 Symulacje numeryczne i modelowanie fizyczne procesów kucia Np [kn] Siła nacisku prasy przy kuciu wykorbienia Nacisk prasy V46 przy i V48/60 kuciu wykorbienia / Press force V46 when i V48/60 forging a crank throw of the V46 and V48/ droga wyginaka [mm] V46-WP1 V48/60-WP1 V46-WP2 V48/60-WP2 Rys. 10. Siła nacisku prasy N p podczas kucia wykorbień wałów V46 i V48/60 dla wariantu WP1 i WP2 (modelowanie fizyczne) Fig. 10. The press force, N p, in forging crank throws V46 and V48/60 for variants WP1 and WP2 (physical modelling) Podczas procesu kucia wykorbień wału siła nacisku prasy N p tak samo jak dla spęczania wstępnego szybko rośnie (rys. 8 i 10). Następnie w niewielkim stopniu zachodzą zmiany wielkości siły nacisku prasy N p, po czym następuje wyraźny wzrost siły nacisku prasy. Związane jest to z dojściem materiału do powierzchni występów wyginaka kształtujących górną część ramion wykorbienia. W końcowej fazie procesu kucia następuje gwałtowny wzrost siły nacisku prasy N p na skutek kontaktu materiału czopa korbowego kutego wykorbienia z powierzchnią kowadła. W tym przypadku materiał nie ma moŝliwości dalszego płynięcia i następuje obkładanie się materiału na powierzchni kowadła. Porównując ze sobą przebiegi wykresów sił kształtowania w dwóch wariantach technologicznych, WP1 i WP2 stwierdza się, Ŝe wielkości sił nacisku dla tych wariantów są podobne. Występują natomiast róŝnice w dokładności kształtu otrzymanych odkuwek. Odkuwki odkute z uŝyciem przedkowadeł WP2 charakteryzują się prawidłowym wypełnieniem i nie wykazują zagłębień na powierzchniach bocznych ramion wykorbień. During the process of forging (fig. 8 and 10), the press force grows rapidly, like in the process of preupsetting, then small changes of the press force take place, followed by a significant increase of the press force. This is related to the material contacting the protrusions of the bending die forming the upper part of the crank webs. Next, there is a rapid increase of the press force due to the contact of the crank pin material of the crank throw being forged with the anvil surface. In this case the material can no longer flow and, consequently, it is deposited on the surface of the anvil. Comparing the curves of the forming forces in the two technological variants, WP1 and WP2, one can see that the press force magnitudes are similar in the two variants. However, there are differences in the shape accuracy of the forgings obtained. The ones forged with the use of foreanvils, WP2, have correct filling and no recesses on the side surfaces of the crank webs.

10 218 W. Walczyk, P. Kroczak 4. WNIOSKI 4. CONCLUSIONS Wyniki przeprowadzonych symulacji numerycznych wykazały, Ŝe w przypadku wałów typu V46 i V48/60 wielkości i przebieg sił potrzebnych do odkucia wykorbienia mają podobny charakter. Kształt przedkowadeł w wariancie WP1 zaprojektowano zgodnie z tradycyjnymi zasadami opracowanymi na podstawie wieloletniego doświadczenia nabytego podczas wdraŝania przemysłowego technologii kucia wałów korbowych. Otrzymane odkuwki charakteryzowały się niewypełnieniami i zagłębieniami na powierzchni ramion wykorbienia. Wobec tego przeprowadzono dodatkowe symulacje komputerowe w celu określenia docelowego kształtu przedkowadeł. Po sprawdzeniu kilkunastu zarysów kształtu przedkowadeł wybrano dla kaŝdego rodzaju wykorbienia po jednym przedkowadle (wariant WP2) dającym najlepszy kształt odkuwek. W wyniku przeprowadzonych symulacji komputerowych otrzymano prawidłowo wypełnione odkuwki wykorbień bez zagłębień na powierzchniach bocznych ramion. Modelowanie fizyczne kucia wykorbień dało nieco inne wyniki. Kucie z uŝyciem klasycznego kształtu przedkowadeł (wariant WP1) dało odkuwki zbieŝne z otrzymanymi drogą symulacji komputerowych. Wykorbienia były podobnie niewypełnione i posiadały zagłębienia na powierzchni ramion. Kucie z uŝyciem drugiej wersji przedkowadeł (wariant WP2) dało odkuwki gorszej jakości niŝ wykazywała symulacja komputerowa. Wprawdzie zagłębienia na bocznych powierzchniach zniknęły, ale pojawiły się większe niewypełnienia w górnej partii ramion wykorbienia. Ponadto większa ilość materiału w dolnej partii wykorbienia powodowała dodatkowo wzrost siły nacisku prasy N p potrzebnej do odkucia wykorbienia. Stwierdzono takŝe, Ŝe w przypadku uŝycia drugiego rodzaju przedkowadeł (wariant WP2), róŝnica w kształcie odkuwek otrzymanych za pomocą symulacji komputerowej i metodą modelowania fizycznego wynika stąd, Ŝe w programach symulacyjnych niedokładnie symulowana jest powierzchnia odkształcana swobodnie. The results of the numerical simulations have shown that, in the case of crankshafts type V46 and V48/60, the magnitude and variation of the forces necessary to forge a crank throw are similar. The shape of foreanvils in variant WP1 has been designed in accordance with the traditional principles elaborated on the basis of the experience gathered in many years of industrial implementing of crankshaft forging technologies. The forgings obtained had recesses and unfilled areas on the surface of the crank webs. Therefore, additional computer simulations have been performed in order to determine the final shape of the foreanvils. After checking over a dozen of foreanvil outlines, one foreanvil has been selected for each kind of crank throw (variant WP2), giving the best shape of the forgings. As a result of computer simulations, correctly filled crank throw forgings without recesses on the crank web side surfaces have been obtained. Modelling of forging crank throws has given somewhat different results. Forging with the use of the classical foreanvil shape (variant WP1) has given forgings close to the ones obtained in computer simulations. The crank throws were similarly unfilled and had recesses on the crank web surfaces. Forging with the use of the other version of foreanvils (variant WP2) has given forging of a worse quality than that indicated by the computer simulation. The recesses on the side surfaces have disappeared, but larger unfillings appeared in the upper part of the crank webs. Moreover, larger amount of material in the lower part of the crank web has caused an increase of the press force, N p, necessary to forge a crank web. It has also been found that, when the second kind of foreanvil is used (variant WP2), the difference in shape of forgings obtained by computer simulation and those obtained by physical modelling is due to the fact that the freely deformed surface is inaccurately simulated in the simulation programs.

11 Symulacje numeryczne i modelowanie fizyczne procesów kucia W czasie symulacji, program tylko nieznacznie zmienia kształt powierzchni swobodnej, poniewaŝ występuje brak kontaktu odkształcanego materiału z narzędziem. W rzeczywistości zarówno w przypadku operacji spęczania wstępnego jak i kucia wykorbienia zmiany kształtu powierzchni swobodnych są znaczne. Stąd odwzorowanie przebiegu spęczania wstępnego w przypadku przedkowadeł wg wariantu WP1 jest zadowalające, gdyŝ przedkowadła te w większym stopniu ograniczają moŝliwość płynięcia materiału niŝ przedkowadła wariantu WP2. Podobnie podczas symulacji procesu kucia odkuwki słabo odwzorowany jest przebieg pierwszej fazy kucia, natomiast po osiągnięciu styku materiału z powierzchniami narzędzi (początkowo ze ściągaczami kształtującymi boczne powierzchnie ramion wykorbienia, potem z występami bocznymi wyginaka kształtującymi górne powierzchnie ramion wykorbienia, a na końcu procesu kucia z kowadłem) mamy do czynienia z dobrym odwzorowaniem przebiegu procesu kucia wykorbienia. Otrzymane rezultaty badań wskazują, Ŝe symulacja komputerowa w połączeniu z modelowaniem fizycznym procesu kucia wykorbienia jest cennym narzędziem umoŝliwiającym przewidywanie oporów kucia oraz określenie stopnia wypełnienia ramion wykorbienia. Jest to szczególnie cenne w przypadku opracowywania procesów kucia wykorbień trudniejszych technologicznie nowych typów wałów korbowych. During simulation, since there is no contact of the deformed material with the tool, the program only slightly changes the shape of the free surface. In reality, both in the case of initial upsetting and in case of forging crank throws, the changes of the free surface shapes are significant. Hence, satisfactory projection of the initial upsetting in the case of foreanvils according to variant WP1 because they limit material flow to a larger extent than those according to variant WP2. Similarly, the course of the first phase of forging is weakly projected, however, after the material contacts the tool surfaces (first the pullers forming the side surfaces of the crank webs, then the side protrusions of the bending die forming the upper surfaces of the crank webs and finally the anvil), we can observe good projection of the course of forging the crank throw. The investigation results obtained indicate that computer simulation combined with physical modelling is a valuable tool enabling us to predict the forging resistance and to determine the degree of the crank web filling. It is particularly important when the processes of forging more technologically difficult new crankshaft types are elaborated. LITERATURA/REFERENCES [1] Rut T., Walczyk W: Rozwój metody TR - urządzenia typu TR do kucia wałów korbowych. Część I. Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 2002 vol. 22 nr 1 s ; Część II. Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 2002 vol. 22 nr 1 s [2] Rut T., Walczyk W.: Rozwój kucia w urządzeniach na prasach. Metoda TR. XVI Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna pt. Konstrukcja i technologia wytłoczek i wyprasek, Poznań-Wąsowo 2004 s